（环境工程专业论文）立式缺氧好氧膜生物反应器延缓膜污染的中试试验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 丰两要 随着全球化水危机的出现，污水的处理和回用显得举足轻重，尤其是城市污 水分散式处理回用技术的发展，为解决水资源日益短缺的难题提供了有效途径。 其中，膜生物反应器( m b r ) 技术因其自身的优势特点，逐渐大规模应用于污水 分散式处理领域。本论文课题来源于西部建筑科技国家重点实验室( 筹) 开放研 究基金项目分散聚居区污水处理及资源化技术研究( n o 0 8 k f 0 8 ) ，重点探讨 基于膜生物反应器的污水处理及减缓膜污染的试验研究。 通过阅读相关中外文献发现，膜材料的改进、改变污泥混合液的性质、优化 运行操作条件等方式都可以减缓膜污染。近年来对改变曝气强度和投加填料来减 缓膜污染的研究越来越多。但通过改变曝气方式进而影响曝气强度并在反应器内 形成气升式循环气流来减缓膜污染的研究却很少；而向反应器内投加悬浮填料可 以改变混合液的性质，但通过投加悬浮填料对膜污染的形成过程进行理论分析也 并不多见。因此，本论文旨在为膜生物反应器延缓膜组件污染提供理论依据，并 实现操作条件的优化，降低运行费用，达到系统稳定运行和经济合理的双赢。 本论文将m b r 技术与传统缺氧好氧( a o ) 工艺相结合，建立了立式缺氧 好氧膜生物反应器( a o m b r ) 污水处理系统，利用该系统对校园生活污水进行 处理。研究内容包括：第一阶段，对反应器装置的曝气方式改变后，探讨各操作 条件对反应器循环流速的影响，运用非牛顿流体的三种模型( b i n g h a m 模型、 o s t w a l d 模型、h e r s c h e l b u l l d e y 模型) 与剪切强度建立函数关系来分析剪切强度对 膜污染的影响情况，得出最佳剪切强度，并在此条件下考查m b r 处理效果与运行 稳定性的受影响情况，对试验用膜进行了s e m 图像分析及清洗。第二阶段：将试 验分为八个不同工况，考察投加悬浮填料和不投加悬浮填料时跨膜压差( n 但) 的变化情况，选取两个不同工况( m l s s = 5 0 0 0 m g l ，投加填料量分别为1 和1 0 ) ， 对膜污染进行定量分析，得出最优v 。值，并考察了在最优填料投加量的情况下 反应器的出水水质。 反应器由原来的传统曝气方式改变为膜片两侧增加两块挡板，曝气头分布在 挡板之间，且比挡板的最底端高5 c m ，这样在曝气的作用下，反应器曝气面积就 被分为气体上升区和气体下降区，两个区域的不同的气含率造成不同的静水压力， 青岛理工大学工学硕士学位论文 进而产生了一个循环流速；根据非牛顿流体力学的三种数学模型：确定了剪切强 度和曝气量之间的函数关系，当剪切强度g 分别为2 0 s 、4 0 s 、6 0 s 、8 0 s 。时， 综合考虑各方面因素后，确定g = 6 0 s 以为最佳剪切强度；根据s e m 图片，膜表面 粘附的污染层上分布着大小不一韵斑点，但污染物积累并不是很明显，说明曝气 方式的改变对减缓膜污染从表观上看有积极意义。 在不投加悬浮填料和投加悬浮填料( 5 ) 时，膜生物反应器临界通量值的变 化范围分别为1 9 5 2 7 8l m 2 h 和1 8 3 2 5 6l m 2 h 。膜的临界通量区减小了，其原 因可能与污泥粒径有关；向膜生物反应器中投加5 悬浮填料时，t m p 表现出一个 急剧的上升趋势，和没有投加悬浮填料时的情形类似；试验所用悬浮填料比重比 水小，因此在曝气状况下可以很容易循环流动，这种循环流通的填料可以对膜表 面产生一个冲刷效应，阻止污泥颗粒的沉积；另一方面，它可以与污泥絮体发生 碰撞，如果二者之间的相互作用力太大，污泥絮体就有可能被破坏；在m l s s 浓 度为8 9 , l ，投加填料量分别为1 、5 和1 0 时，t m p 由于悬浮填料的投加量 增大而出现上升趋势减缓的现象，表明悬浮填料对膜污染控制的积极作用；但当 悬浮填料的投加量增多时，投加悬浮填料比未投加时唧上升速度更快，表明悬 浮填料对膜污染控制的消极作用；在给定的m l s s 浓度下，泥饼层质量和悬浮填 料的投加量之间的关系：肼，近似以v c v r 的幂函数而增加，而埘：近似以k v r 的 指数函数而减小，当心= p 6 时，埘是最大的，表明膜污染控制效率最高；当 心1 , t = p 懈，埘为0 ，说明冲刷膜表面的积极作用和破坏污泥絮体的消极作用平 衡。根据试验分组和理论分析，在m l s s = 5 9 l 时，确定p 。7 。 关键词：缺氧好氧膜生物反应器( a o m b r ) ；曝气方式；减缓膜污染；剪切强 度；悬浮填料 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sg l o b a lw a t e rc r i s i sc o m i n g ，s e w a g et r e a t m e n ta n dr e u s ei sm o r ei m p o r t a n t t h e d e v e l o p m e n to fs c a t t e r e dt r e a t m e n ta n dr e u s et e c h n o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt o s o l v et h ep r o b l e mo fg r o w i n gw a t e rs c a r c i t y m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) t e c h n o l o g y g r a d u a l l yi s u s e dw i d e l yi ns c a t t e r e ds e w a g et r e a t m e n tf o ri t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t r e n g t h s t h e t h e s i sw a ss u p p o r t e d b y s t a t ek e yl a bf o u n d a t i o no fw e s t e r n a r c h i t e c t u r e & t e c h n o l o g y ( c u l t i v a t i n gb a s e ) - s t u d y o n s e w a g e t r e a t m e n ta n d r e c y c l i n gt e c h n o l o g yi ns c a t t e r e dn e i g h b o r h o o d s ( n o 0 8 k f 0 8 ) t h et h e s i sf o c u s e do n t h es e w a g et r e a t m e n tf o rb a s e do nm b ra n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fa l l e v i a t i n g m e m b r a n ef o u l i n g b yc o n s u l t i n gt h er e l e v a n tl i t e r a t u r e s ，i tw a sf o u n dt h a tm a n ym e t h o d sc a l lr e d u c e m e m b r a n ef o u l i n g f o re x a m p l e ，t h ei m p r o v e m e n to fm e m b r a n em a t e r i a l s ，t h ec h a n g i n g o ft h es l u d g em i x t u r e sn a t u r e ，t h eo p t i m i z a t i o no fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s i nr e c e n ty e a r s ， c h a n g i n gt h ea e r a t i o ni n t e n s i t ya n da d d i n gf i l l e rt oa l l e v i a t et h em e m b r a n ef o u l i n gh a d i n c r e a s e d ，b u tc h a n g i n gt h ea e r a t i o nm e t h o d ( f o r ma l la i r l i f tl o o pf l o wi nt h er e a c t o r ) t o s l o wd o w nm e m b r a n ef o u l i n gw a sr a r e ；p u t t i n gs u s p e n d e dc a r r i e r st ot h er e a c t o rc a n c h a n g et h en a t u r eo f t h em i x t u r e ，b u tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h ef o r m i n gp r o c e s so f m e m b r a n ef o u l i n gw a sa l s or a r e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra i m st op r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o rm e m b r a n ef o u l i n g ，a n dt oa c h i e v eo p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，r e d u c e o p e r a t i n gc o s t s ，a c h i e v et h ew i n - w i no fs y s t e ms t a b i l i t ya n dr e a s o n a b l ee c o n o m i c t h em b r t e c h n o l o g yw a sc o m b i n e d 埘t ht r a d i t i o n a la n o x i c a e r o b i c ( a o ) p r o c e s s t oe s t a b l i s hv e r t i c a la n o x i c a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( a o m b r ) w a s t e w a t e r t r e a t m e n ts y s t e m i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ec a m p u ss e w a g ew a st r e a t e db ya o - s m b r 。 t h ec o n t e n t so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n c l u d e d ：t h ef i r s ts t a g e ，i n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so nt h er e a c t o rc i r c u l a t i o nv e l o c i t ya f t e rc h a n g i n g t h er e a c t o r sa e r a t i o nm e t h o d ；u s i n gt h r e en o n - n e w t o n i a nf l u i dm o d e l sa n dt h es h e a r i n t e n s i t yt o e s t a b l i s hf u n c t i o nt oa n a l y z ei n f l u e n c eb e t w e e ns h e a ri n t e n s i t ya n d m e m b r a n ef o u l i n g ，a n dg e tt h eo p t i m a ls h e a ri n t e n s i t y m e a n t i m e ，t h ee f f e c ta n d o p e r a t i n gs t a b i l i t yo fm b r w a se x a m i n e d f i n a l l y , t h em e m b r a n em o d u l e sw e r ew a s h e d a n dt h es e m p h o t o so fm e m b r a n em o d u l e sw e r ea n a l y z e d t h es e c o n ds t a g e ，t h et e s t w a sd i v i d e di n t oe i g h td i f f e r e n tp a r t s t h ec h a n g e so ft r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ( t m p ) w i t ha d d i n gf i l l e ra n dw i t h o u ta d d i n gf i l l e rw e r ei n v e s t i g a t e d t w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ( m l s s = 5 0 0 0 m g l ，a d d i n gf i l l e r1 a n d10 ，r e s p e c t i v e l y ) w e r es e l e c t e d ，a n dh a da i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h em e m b r a n ef o u l i n g ，g o ta l lo p t i m a lv c tv a l u e a tt h es a m e t i m e ，t h er e a c t o re f f l u e n tq u a l i t yw a sm o n i t o r e d t h et r a d i t i o n a la e r a t i o nm e t h o dw a sc h a n g e d t w ob a f f l e sw e r ep l a c e do nb o t h s i d e so ft h em e m b r a n em o d u l e s ，a n da e r a t i o nh e a d s 伽9 1 1 e ；5 e r at h a nt h eb o t t o mo ft h e b a f f l e ) w e r es c a t t e r e db e t w e e nt w ob a f f l e s u n d e rt h ea c t i o ni na e r a t i o n ，t h ea e r a t i o n a r e ao fr e a c t o rw a sd i v i d e di n t oad o w n c o m e ra n da l la e r a t e dr i s e rs e c t i o n n l ed i f f e r e n t g a sh o l d u p sc a u s e dad i f f e r e n th y d r o s t a t i cp r e s s u r ei nb o mr e g i o n sw h i c hi n i t i a t e sa c k c u l a t i o nv e l o c i t y a c c o r d i n gt ot h et h r e en o n n e w t o n i a nf l u i dm o d e l s ：t h ef u n c t i o n r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a ri n t e n s i t ya n da e r a t i o na m o u n tw a sf i x e d w h e nt h es h e a r s t r e n g t hw a s2 0 s 1 ，4 0 s 。1 ，6 0 s 一1 ，8 0 s 。1 ，r e s p e c t i v e l y , t h eb e s ts h e a rs t r e n g t hv a l u ew a s g = 6 0 s a f t e rc o n s i d e r i n ga l lf a c t o r sc o m p r e h e n s i v e l y f r o mt h es e mp i c t u r e s ，t h e r e w e r es o m ed i f f e r e n ts i z es p o t so nt h em e m b r a n es u r f a c e b u tt h ea c c u m u l a t i o no f p o l l u t a n t sw a sn o tv e r yc l e a r f r o mt h ev i e wo fa p p a r e n t t h ec h a n g i n go fa e r a t i o n m e t h o dh a dap o s i t i v ei m p a c to nm e m b r a n ef o u l i n g n l ec r i t i c a lf l u xz o n e sw e r e1 9 5 2 7 8 l ( m 2 h 、( w i t h o u ts u s p e n d e dc a r r i e r s ) a n d 18 3 2 5 6 l ( m z h ) ( w i t h s u s p e n d e dc a r r i e r s ) ，r e s p e c t i v e l y 1 f 1 1 cc r i t i c a l f l u xz o n e d e c r e a s e d ，a n dt h er e a s o nm i g h tb er e l a t e dt ot h es l u d g ep a r t i c l es i z ec h a n g e t h et m p p r o f i l ei nt h ea o m b r 埘n 1a5 c a r r i e rw a ss h o w e dar a p i dl i n e a rr i s ea p p r o x i m a t e l y s i m i l a rt ot h es e c o n ds t a g ei nt h ea o - m b rw i t h o u ts u s p e n d e dc a r r i e r s t h es u s p e n d e d c a r r i e r su s e di nt h es t u d yh a das p e c i f i cg r a v i t yl e s st h a nw a t e ra n dt h u sw e r ee a s i l y c i r c u l a t e di ns m b rt h r o u g ha e r a t i o n t h ec i r c u l a t e dc a r r i e r sc o u l dp r o d u c eas c o u r i n g e f f e c to nt h em e m b r a n es u r f a c et op r e v e n ts l u d g ep a r t i c l ed e p o s i t i o n o nt h eo t h e rh a n d ， t h ec i r c u l a t e dc a r r i e r sm i g h ti n t e r a c tw i t ht h es l u d g ef l o e s i ft h ei n t e r a c t i o nw a st o o s t r o n g ，t h es l u d g e f l o e sw o u l db eb r o k e nu p w i t ht h es a m em l s s ( 8 9 l ) ，t h e s u s p e n d e dc a r r i e r sd o s ew a s1 ，5 ，10 ，r e s p e c t i v e l y t m pr i s ew a sr e t a r d e d e f f e c t i v e l yd u et ot h ea d d i t i o no fs u s p e n d e dc a r r i e r su n d e rl o w e rc a r r i e rd o s e s t m s s h o w e dt h ew h o l ep o s i t i v ee f f e c to fs u s p e n d e dc a r r i e r so i lm e m b r a n ef o u l i n gc o n t r 0 1 h o w e v e r ，u n d e rah i g h e rc a r r i e rd o s e ，t m p 埘t l ls u s p e n d e dc a r r i e r sr o s ef a s t e rt h a nt h a t w i t h o u tt h ec a r r i e r s t l l i si n d i c a t e dt h es u s p e n d e dc a r r i e r sw h o l en e g a t i v ee f f e c to n m e m b r a n ef o u l i n gc o n t r 0 1 u n d e rac e r t a i nm l s s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nr e d u c e dc a k e l a y e rm a s sa n ds u s p e n d e dc a r r i e r sd o s ew a s ：毗i n c r e a s e di ns i m i l a rp o w e rf u n c t i o n w i t hv c v , ，a n d m 2 d e c r e a s e di ns i m i l a re x p o n e n t i a lf u n c t i o nw i t hv cf 、) t w h e n k v , = p b ，a m w a st h em o s t ，s h o w i n gt h ep e r f o r m a n c ef o rm e m b r a n ef o u l i n g c o n t r o lw a st h eb e s t ；w h e nv c v , = p 僦，& mw a s0 ，i n d i c a t i n gt h a tt h ep o s i t i v ee f f e c t b ys c o u r i n gm e m b r a n es u r f a c ew a se q u a lt ot h en e g a t i v ee f f e c tb yb r e a k i n gu ps l u d g e i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 f l o c s a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lg r o u pa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p b 7 w a s d e t e r m i n e di nt h ec o n d i t i o no fm l s s = 5 9 l k e y w o r d ：a n o x i c a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( a o - m b r ) ；a e r a t i o nm e t h o d ； a l l e v i a t i n gm e m b r a n ef o u l i n g ；s h e a ri n t e n s i t y ；s u s p e n d e dc a r r i e r s v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀。了匕 1 1 研究背景及课题来源 中国是一个水资源短缺的国家，人均水资源大概是世界人均水资源的1 4 ，全 国水资源总量大约是2 万7 干亿立方米，全国供水量小于6 0 0 0 亿立方米。从1 9 8 5 年到2 0 0 5 年，中国的经济发展和水中主要污染物排放的情况是让人震惊的。中国 过去的2 0 年间，对c o d 的控制总体上是比较成功的，但是对总氮、总磷的控制 、有很大的缺陷，但是即使这样，也远远低于经济的增长水平。虽然污水设施建设 的水平已达到6 5 ，但是我们的城市供水价格和城市污水处理费价格仍处在一个比 较低的水平，基础设施建设还有一个比较大的空间来发展，所以中国正面临着很 严重的水环境问题。 全球城市化、工业化和农业集约化的进程以及人口的剧增，从根本上造成了 水污染的日益严重，并在一定程度上改变了全球的水循环，导致全球性的水危机。 水危机主要表现为水资源危机、水环境危机和水生态危机三个方面。其中，随着 世界人口的增长与淡水用量的提高，人均淡水资源占有量日益减少；水环境正发 生着“质”的变化，给人们的生产和生活带来了许多不利的影响；人们对水域的 肆意侵害，对水资源的过度开发及污染，使大量的水生生物丧失了生存环境，从 根本上破坏了生态系统的稳定【。 从城市发展看，2 1 世纪中叶，我国的城市化率将达到7 0 ，城市给水供求矛 盾更加尖锐；从农业生产上看，2 0 5 0 年前，我国粮食产量要比现在增加1 4 0 0 亿公 斤以上，这意味着农业灌溉总用水量必须增加，北方地区的水资源形势将更加严 峻。据估算，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等干旱年份 约为6 9 8 8 亿立方米，供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方米，2 0 3 0 年我国 将缺水4 0 0 亿立方米至5 0 0 亿立方米，缺水高峰期将会出现。 为解决目前面临的水污染日益恶化的危机，世界各国、各地区包括中国在内 采取了一些积极有效的措施。城市污水的再生利用是解决城市缺水问题的有效途 径之一，根据不同用水水质要求，城市污水经相应处理后可再次循环利用，满足 各方面、多品质的水资源需求。与海水淡化、雨水收集利用及远距离输水等新型 水源相比而言，城市回用水在资源可靠性、生态和环境效益、工程效果等方面都 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 具有足够大的战略发展优势【2 】。 城市污水的回用处理大部分采用集中处理的方式，该方式在管理和控制污水 处理的运行方面具有可靠、高效的特点。但是，深入分析后不难发现，这种集中 处理方式存在着若干缺点：水在城市管网中要经过大于三次的输送，在长距离输 水流程中，回用水品质下降，很难保证终端的回用水水质能够达到要求；从远处 取水，需花费大量经费铺设管线和运行维护；各类污、废水在与雨水混合后，导 致所含污染物种类更为复杂，且成分和浓度波动较大，不利于对污染物进行有效 去除 2 】。 为克服上述集中处理所存在的缺陷，找到环境效益良好的新型回用处理系统， 污水分散式回用处理的概念继而被提出。即某区域内的污水经管道收集后，进行 就地处理，确保出水水质满足相应回用水水质标准，然后用于所在区域的绿化和 冲厕等，通过就地处理与回用，达到实现水平衡和水循环的目的【2 】。 国内对于分散式回用处理的研究，起步相对较晚且系统化程度不高，所用处 理工艺大多是传统方法，如活性污泥法( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，a s p ) 、生物膜 法和厌氧生物法及其组合技术，系统占地面积较大，不适宜于区域较小的污水处 理。然而随着膜技术的发展与推广，水处理系统装置化、小型化的目标得以实现， 污水分散式处理模式具有了工程应用可行性。膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ， m b r ) 技术的研究起始于6 0 年代末、7 0 年代初，它即具有分离的功能，也具有载 体的功能，、因其模块化程度高、出水水质优良( 可达到回用水水质标准) 、占地面 积小、运行管理简便、污泥产率较低等优势逐渐受到人们的青睐，但是膜污染问 题的存在严重影响了工艺的处理效果和运行成本，进而影响了m b r _ z 艺的推广应 用。 鉴于此，本论文所选课题来源于西部建筑科技国家重点实验室( 筹) 开放研 究基金项目分散聚居区污水处理及资源化技术研究( n o 0 8 k f 0 8 ) ，重点探讨 基于立式膜生物反应器延缓膜污染的中试试验研究。 1 2 课题研究的目的、意义和主要内容 1 2 1 课题的目的和意义 将m b r 技术应用于分散式片区污水回用处理，可有效发挥其地面积小、出水 水质优良的优势，但是该项技术在应用过程中膜组件污染的程度决定了其经济可 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 行性，若污染速率过快，则会导致产水量降低、膜更换频率和运行费用增加，膜 污染问题是制约m b r 进一步发展和应用的主要因素之一。目前对m b r 膜污染的 研究，主要以探究膜污染发生的本质为目的，并力求寻找减缓膜污染的措施。 一般的研究共识认为，膜污染与反应器中污泥混合液性质有着本质、密切的 关系，混合液成分由微生物菌群及其代谢产物、原水中的有机分子、溶解性物质 和固体颗粒等组成。而操作条件的变化( 如污泥龄( s i ) 、曝气强度、水力停留 时间( h l 玎) 、有机负荷、操作压力、出水通量、抽吸时间、温度和反应器结构等) 又会对混合液系统产生影响，进而对膜污染起作用。 通过查阅相关中外文献发现，膜材料的改进、改变污泥混合液的性质、优化 运行操作条件等方式都可以减缓膜污染，近年来对改变曝气强度和投加填料来减 缓膜污染的研究越来越多。但通过改变曝气方式进而影响曝气强度并在反应器内 形成气升式循环气流来减缓膜污染的研究却很少：而向反应器内投加悬浮填料可 以改变混合液的性质，但通过投加悬浮填料对膜污染的形成过程进行理论分析也 并不多见。因此，本论文研究目的：一是通过改变反应器的曝气方式，结合非牛 顿流体的三种模型，得出最佳剪切强度；二是通过投加圆柱形硬质悬浮填料来定 量分析膜污染控制机理。该研究意义在于为延缓膜生物反应器的膜组件污染提供 理论依据，并实现操作条件的优化，降低运行费用，达到系统稳定运行和经济合 理的双赢。 1 2 2 课题的主要研究内容 本论文试验装置打破了传统的横式a o m b r 结构，安装组建了立式 a o m b r 污水处理系统，并利用该系统对校区生活污水进行处理。在实验过程中， 重点研究改变曝气方式( 第一阶段) 和投加悬浮填料( 第二阶段) 对延缓膜污染 的影响。 第一阶段：考察对试验反应装置的曝气方式改变后，探讨各操作条件对反应 器循环流速的影响，运用非牛顿流体的三种模型( b i n g h a m 模型、o s t w a l d 模型、 h e r s c h e l b u l k l e y 模型) 与剪切强度建立函数关系来分析剪切强度对膜污染的影响 情况，得出最佳剪切强度，并在此条件下考查m b r 处理效果与运行稳定性的受影 响情况，对试验用膜进行了s e m 图像分析及清洗。 第二阶段：将试验分为八个不同工况，考察投加悬浮填料和不投加悬浮填料 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 时t m p 的变化情况，选取两个不同工况( m l s s = 5 0 0 0 m g l ，投加填料量分别为 1 和1 0 ) ，对膜污染进行定量分析，得出最优k q 值，并考察了在最优填料投 加量的情况下反应器的出水水质。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章膜生物反应器技术与理论 2 1 膜生物反应器技术 2 1 1 膜生物反应器的分类 膜生物反应器可以分为三种类型：在反应器中进行无泡曝气的曝气膜生物反 应器( m a b r ) 、从工业污水中萃取优先污染物的萃取膜生物反应器( e m b r ) 、用 于固体的分离与截留的膜分离反应器( m b r ) 。污水处理领域最常见的是与活性污 泥法相结合的膜生物反应器，它用膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，用过 滤截留作用代替重力沉降进行泥水分离。截留的污泥和未降解的大分子物质通过 回流泵重新回流到生物反应器中【3 j 。 按照膜组件和反应器的位置关系可将膜生物反应器分为外置式( 分置式) 和 浸没式( 一体式) 两种，如图2 1 所示【4 】： 原水 空气 回流 ( a ) 分置式 原水 空气 出水 生物反应器 ( b ) 一体式 图2 1 分置式m b r 和一体式m b r 示意图 f i g 2 1s k e t c ho fs i d e s t r e a mm b r a n ds u b m e r g e dm b r 外置式膜生物反应器的膜片完全独立于生物反应器，原水进入生物反应器中， 经过大量悬浮或附着的微生物降解作用，混合液经泵增压后送入环路中膜组件的 过滤端，滤液在压力差作用下透过膜组件出水；污泥、未降解的大分子物质及污 水中的杂质等被截留后通过回流泵回流到生物反应器中。该系统特点是：膜组件 运行稳定可靠，膜通量较大，组装灵活，易于进行膜组件的清洗、更换和增设等。 缺点是泵由于高速旋转产生的剪切力会令某些微生物菌体产生失活现象f 5 】，且常采 用功率较大的泵对截留液进行回流，由此产生了较高的压力和速度，其总动力消 耗较浸没式高【6 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 浸没式膜生物反应器将膜组件直接浸泡于反应器中，通过真空泵或其它类型 泵的抽吸作用，将泥水在生物反应器中进行分离，并且不需要环路。其工艺更为 简单、紧凑，操作压力相对较小，能耗较低可避免微生物在循环过程中因受剪切 力发生失活的现象。但浸没式m b r 膜通量较分置式m b r 小，且膜组件易造成污 染。通常采用时间继电器控制，利用间歇抽吸法出水可以减轻膜阻塞，并且位于 膜组件下方的曝气管产生的气泡，可以形成较大的剪切力，使截留组分不易沉积 于膜面，从而减缓膜孔的堵塞。 2 1 2 膜生物反应器发展的阻碍 膜生物反应器技术已经在市政污水和工业废水的处理领域崭露头角。科技工 作者普遍认为它是一项能够体现科技水平的先进技术，但与应用已久的传统工艺 ( 活性污泥及其衍生技术) 相比，具有风险大、投资费用高等缺点。一般情况下， 活性污泥法投资费用中等，出水水质好；生物曝气滤池技术投资费用低，出水水 质中等；而m b r 技术投资费用高，出水水质好。由此可以得出，只有在一些法律 法规要求高质量出水而常规处理工艺无法实现时，才会更多的考虑m b r 的优点而 选择使用它【7 j 。m b r 技术允许高的混合液悬浮固体( m l s s ) 浓度和较少的排泥量， 能够达到生物需氧量( b o d ) 和化学需氧量( c o d ) 的高效去除。然而，膜污染 是膜生物反应器广泛应用的主要障碍，除此之外，高额的膜材料费用也限制了m b r 的大规模使用。图2 2 是用户对几种污水处理工艺的感知比较【8 】。 高 中等 低 差异化 4 混合的3 活性污泥咯 净s 忑 低 s b 争 膜铭擎器 5 集在差异 2 潼 争“1 7 岁 y 黼 决策失败 ( 垄断业除 外) 7 6 低中等 高 感知价格 “ 图2 2 用户对几种污水处理工艺的感知比较 f i g 2 - 2c u s t o m e rp e r c e p t i o nm a t r i xf o rs e v e r a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 膜污染研究进展 在过去的十年间，研究者们对m b r 广泛应用的限制因素膜污染做了大量的 研究o j 。与膜污染相关的诸多因素，如污泥特性、操作参数 1 0 k p a ) ；然而，当膜通 量维持在1 0l ( m 2 h ) 且运行了2 8 0 h ，并没有发生t m p 的跳跃。p o l l i c e t l 5 1 认为在实 验室规模的小试试验中t m p 发生的频率比较大。可以看出，由于试验规模和内在 因素的不同，将小试试验测得的膜污染率应用在长期运行的实际工程中并不恰当。 但是，在m b r 的长期运行过程中，t m p 的跳跃是不可避免的。因此，膜污染控 制的整体目标就是通过修正污泥特性或在临界通量下运行来阻碍t m p 跳跃的发 生。 2 2 2 膜污染物的分类 2 2 2 1 可去除和不可去除的污染物 ( 1 ) 可去除污染物和不可去除污染物的界定 膜污染是一个由多种原因造成的且非常复杂的现象。在膜过滤系统中，混合 液污泥絮体、胶体和溶解性物质的粒径大小很大程度上决定了污染的程度。如果 污染物的粒径大小与膜孔相当( 如胶体) 或者小于膜孔的大小( 如溶解性物质) ， 孔壁吸附或膜孔堵塞就会发生。然而，如果污染物的粒径比膜孔大的多( 如污泥 絮体和胶体) ，那么它们就会在膜表面形成一层厚厚的凝胶层。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 新膜 司去除污染物 ，和不可去除污染 晗 污泥絮体 胶体物质溶解性物质 图2 - 6m b r 中三种污染物的形成过程 f i g 2 - 6s c h e m a t i ci l l u s 溅i o n0 f t i l ef o 姗a t i o no f t l l r e ef o u l i n g smm b r 5 到目前为止，由于各种文献论述中所提定义的不同，可逆污染物和不可逆污 染物的概念也有混淆。一般来说，不可逆污染物应该被定义为通过任何方式( 包 括化学清洗) 都不能被去除的污染物。 但是，目前普遍认为，不可逆污染物是指可以用化学清洗的方法去除但不能 用物理方法去除的污染物。m e n g 提出三种污染物模型的说法：可去除的污染物、 不可去除的污染物和不可逆污染物。如图2 - 6 所示，可去除的污染物能够很容易通 过物理清洗的方法去除( 反冲洗) ；而不可去除的污染物需要经过化学清洗才能去 除。可去除的污染物是由松散的吸附污染物引起的，而不可去除污染物是在过滤 过程中由于膜孔堵塞和强烈的污染物吸附造成的。不可逆污染物是一种固定的污 染物，它们不能被任何方法去除。一般来说，可去除的污染物是由凝胶层的形成 造成的，而不可去除的污染物是由膜孔堵塞造成的。 ( 2 ) 凝胶层的形成 在很多情况下，凝胶层的形成始终与可去除污染物联系在一起，在m b r 中， 可去除污染物被认为是引起膜污染的主要贡献者。l e e 旧研究发现，过滤阻力包括 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 膜阻力、凝胶层阻力和堵塞( 不可去除污染物) 阻力，它们所占的百分比分别为 1 2 、8 0 和8 ，这说明凝胶层的形成是导致膜污染的主要原因。表2 - 1 为膜污 染过程中凝胶层形成的研究进展o 表2 1 膜污染过程中泥饼层的形成 - - m l t 曲2 - 1r o j eo f c a k ef o r n l a t i o ni nm e m b r a n ef o u l i n i g t f _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - 一 原水膜污染过程中泥饼层的影响 参考 合成废水j e i s o n 和v a nl i e r ，2 0 0 7 1 1 6 】 泥饼层阻力占据整个过滤阻力的 ， r a m e s h 等，2 0 0 7 t j 9 5 9 8 。 泥饼层这种特殊的过滤阻力值是其他 w a n g 等，2 0 0 7 t 1 8 】 污泥絮体过滤阻力值的2 5 8 倍。 市政污水 泥饼层阻力是膜过滤的最主要阻力，大量 m e n g 和y a n g ，2 0 0 7 c f l 9 】 的污泥絮体导致了严重的泥饼污染。 一一 泥饼层阻力是膜过滤的最主要的阻力来 c h u 翥l i ，2 0 0 6 f 2 0 】 源。 在高的膜通量情况下，泥饼层阻力r 。 农业废水与膜丝固有阻力尺厂相比，前者起主导作 s h i n 等，2 0 0 5 2 1 用；在低的膜通量情况下，膜丝固有阻力 月，对膜污染起主导作用。 最近，为了比较详细的获得对凝胶层的形成过程和其形态学的理解，研究者 们做了大量的科学研究调查。c h u 和l i l 2 2 】认为凝胶层并不